JP7343695B2 - 電圧センシング回路、バッテリーパック及びバッテリーシステム - Google Patents

Description

本発明は、バッテリーの電圧をセンシングするための技術に関する。

本出願は、２０２０年４月１６日出願の韓国特許出願第１０－２０２０－００４６０９４号に基づく優先権を主張し、該当出願の明細書及び図面に開示された内容は、すべて本出願に組み込まれる。

最近、ノートブックＰＣ、ビデオカメラ、携帯電話などのような携帯用電子製品の需要が急増し、電気自動車、エネルギー貯蔵用蓄電池、ロボット、衛星などの開発が本格化するにつれ、反復的な充放電の可能な高性能バッテリーについての研究が活発に進行しつつある。

現在、商用化したバッテリーとしては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウムバッテリーなどがあり、このうち、リチウムバッテリーは、ニッケル系のバッテリーに比べてメモリ効果がほとんど起こらず、充放電が自由で、自己放電率が非常に低くてエネルギー密度が高いという長所から脚光を浴びている。

バッテリーを長期間にかけて安全かつ効率的に使用するためには、基本的にバッテリーの電圧を正確にセンシングしなければならない。従来には、ＡＤ８４５２のような単一種類の電圧センシング回路の一対の入力ピンをバッテリーの正極端子及び負極端子に各々電気的に接続されることで、バッテリーの両端にかかった電圧をセンシングしている。ところが、電圧センシング回路が故障するか、または電圧センシング回路に接続された他の部品に異常が生じる場合、バッテリーの電圧を適切にセンシングしにくい。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、単独でまたは他の電圧センシング回路と相互補完的に、バッテリーの両端にかかった電圧を検出するための電圧センシング回路及び電圧センシング回路を含むバッテリーパックを提供することを目的とする。

本発明の一面によるバッテリーのための電圧センシング回路は、発光素子を有し、バッテリーに電気的に並列で接続される第１サブセンシング回路と、発光素子に光学的に結合する受光素子を有し、第１サブセンシング回路から電気的に絶縁される第２サブセンシング回路とを含む。発光素子は、発光素子の両端にかかった電圧に応じて、光信号を生成するように構成され得る。第２サブセンシング回路は、光信号に応じて、バッテリーの両端にかかった電圧のレベルを示す電圧センシング信号を出力するように構成される。バッテリーの両端にかかった電圧がバッテリーの過電圧状態を示す第１基準電圧と同じ場合、第１基準電圧よりも低い第２基準電圧が発光素子の両端に印加される。第２基準電圧は、発光素子の閾値電圧より小さい。

受光素子は、フォトレジスタ及びフォトトランジスタのうち少なくとも一つを含み得る。

第２基準電圧が、発光素子の両端に印加される場合の発光素子の抵抗は、閾値電圧が発光素子の両端に印加される場合の発光素子の抵抗よりも大きいことがある。

第１サブセンシング回路は、発光素子に電気的に直列で接続されるダイオードストリングをさらに含み得る。ダイオードストリングは、少なくとも一つのダイオードを含む。

第１基準電圧が第１サブセンシング回路の両端に印加される場合、第１基準電圧よりも低い第３基準電圧がダイオードストリングの両端に印加され得る。

第１基準電圧が第１サブセンシング回路の両端に印加される場合、第２基準電圧と発光素子の抵抗との第１割合は、第３基準電圧とダイオードストリングの抵抗との第２割合と同一であり得る。

第１基準電圧が第１サブセンシング回路の両端に印加される場合、バッテリーに電気的に並列で接続された周辺回路の等価抵抗と第１サブセンシング回路の抵抗との並列合成抵抗は、等価抵抗の所定の割合以上であり得る。

第２サブセンシング回路は、受光素子に電気的に直列で接続される抵抗器と、抵抗器の両端にかかった電圧から電圧センシング信号を生成するアナログ－デジタルコンバータと、をさらに含み得る。

本発明のさらに他面によるバッテリーパックは、電圧センシング回路を含む。
本発明のさらに他面によるバッテリーシステムは、バッテリーパックを含む。

本発明の実施例の少なくとも一つによる電圧センシング回路は、バッテリーの両端に電気的に並列で接続される第１サブセンシング回路及び第１サブセンシング回路に光学的に結合した第２サブセンシング回路を含むことで、単独でまたは他の電圧センシング回路と相互補完的に、バッテリーの両端にかかった電圧を間接的に検出することができる。

また、本発明の実施例の少なくとも一つによる電圧センシング回路は、各々に含まれた発光素子のサブ閾値電圧範囲における電圧－電流－抵抗特性を活用して、バッテリーの電圧がセンシングできる。これによって、バッテリーの電圧が所定の正常範囲内にある場合、第１サブセンシング回路の抵抗が所定の抵抗と同一またはより大きくなることで、他のセンシング回路のバッテリー電圧センシング動作に及ぶ影響を低減させることができる。

本発明の効果は上述した効果に制限されず、言及されていない本発明の他の効果は請求範囲の記載から当業者により明らかに理解されるだろう。

本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。

本発明の一実施例によるバッテリーシステムを例示した図である。 本発明の一実施例による電圧センシング回路の構成を例示した図である。 図２の発光素子の電圧－電流関係特性を例示したグラフである。 図２の発光素子の電圧－抵抗関係特性を例示したグラフである。 図２のダイオードストリングの電圧－電流関係特性を例示したグラフである。 図２のダイオードストリングの電圧－抵抗関係特性を例示したグラフである。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳しく説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲に使われた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者自らは発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して本発明の技術的な思想に応ずる意味及び概念で解釈されねばならない。

したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に示された構成は、本発明のもっとも望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的な思想のすべてを代弁するものではないため、本出願の時点においてこれらに代替できる多様な均等物及び変形例があり得ることを理解せねばならない。

第１、第２などのように序数を含む用語は、多様な構成要素のうちいずれか一つを残りと区別する目的として使用され、このような用語によって構成要素が限定されることではない。

なお、明細書の全体にかけて、ある部分が、ある構成要素を「含む」とするとき、これは特に反する記載がない限り、他の構成要素を除くことではなく、他の構成要素をさらに含み得ることを意味する。

さらに、明細書の全体に亘って、ある部分が他の部分と「連結（接続）」されているとするとき、これは、「直接的に連結（接続）」されている場合のみならず、その中間に他の素子を介して「間接的に連結（接続）」されている場合も含む。

図１は、本発明の一実施例によるバッテリーシステム１０を例示した図である。

図１を参照すると、バッテリーシステム１０は、バッテリーパック２０及び充放電制御装置３０を含む。バッテリーシステム１０は、例えば、電気車両やエネルギー貯蔵システムのように、バッテリーパック２０が装着される電気装置を指す。

バッテリーパック２０は、バッテリーＢ及びセンシング装置４０を含む。バッテリーＢは、再充電可能な単位セルを一つまたは二つ以上含む。バッテリーＢが二つ以上の単位セルを含む場合、これらは互いに電気的に直列または並列で接続される。

センシング装置４０は、バッテリーＢの電流、温度及び電圧を個別的にセンシングするように提供される。センシング装置４０は、電流センシング回路５０、温度センシング回路６０及び電圧センシング回路７０を含み得る。

電流センシング回路５０は、バッテリーＢの充放電経路に電気的に接続可能に提供される。電流センシング回路５０は、バッテリーＢを介して流れる電流の大きさと方向を示す信号を生成するように構成される。例えば、シャント抵抗及び／またはホール効果素子が電流センシング回路５０として用いられ得る。

温度センシング回路６０は、バッテリーＢから所定の距離内に配置され、バッテリーＢの温度を示す信号を生成するように構成される。例えば、ＮＴＣ（負の温度係数）サーミスタが温度センシング回路６０として用いられ得る。

電圧センシング回路７０は、バッテリーＢの正極端子及び負極端子を介してバッテリーＢに電気的に並列で接続される。電圧センシング回路７０は、バッテリーＢの両端にかかった電圧（以下、「バッテリーの電圧」と称し得る。）を示す信号を生成するように構成される。電圧センシング回路７０の詳細構成については、図２を参照して後述する。

センシング装置４０は、追加的な電圧センシング回路８０をさらに含み得る。電圧センシング回路８０は、電圧センシング回路７０と同様に、バッテリーＢに電気的に並列で接続され、バッテリーＢの電圧をセンシングする。電圧センシング回路７０としては、ＡＤ８４５２などのようなアナログフロントエンドを用い得る。電圧センシング回路７０と電圧センシング回路８０が両方ともセンシング装置４０に提供される場合、二つの電圧センシング回路７０、８０は、相補的に機能する。

センシング装置４０は、センシングされたバッテリーＢの電流、温度及び電圧を各々示すセンシング信号を充放電制御装置３０に伝送する。充放電制御装置３０は、センシング装置４０からのセンシング信号に基づいて、バッテリーＢの充放電を制御するように提供される。充放電制御装置３０は、コントローラ、リレー、ＤＣ－ＤＣコンバータ及びＤＣ－ＡＣコンバータのうち少なくとも一つを含み得る。例えば、充放電制御装置３０のコントローラは、センシング信号がバッテリーＢの異常（例えば、過電圧）を示す場合、リレー、ＤＣ－ＤＣコンバータ及びＤＣ－ＡＣコンバータのうち少なくとも一つをオフすることでバッテリーＢの充放電を停止し得る。

図２は、本発明の一実施例による電圧センシング回路７０の構成を例示した図である。理解を助けるために、図２には、バッテリーＢと電圧センシング回路７０のみを図示した。

図１及び図２を参照すると、電圧センシング回路７０は、第１サブセンシング回路１１０及び第２サブセンシング回路１２０を含む。

第１サブセンシング回路１１０は、バッテリーＢに電気的に並列で接続される。第１サブセンシング回路１１０は、発光素子１１１を含む。発光素子１１１としては、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）のように、その両端にかかった電圧のレベルによって、放出される光量が変化する素子を指す。発光素子１１１は、バッテリーＢによって発光素子１１１の両端に印加される電圧に応じて光信号を生成するように構成される。光信号の光量は、発光素子１１１の順方向電圧と固有の対応関係を有する。

第１サブセンシング回路１１０は、ダイオードストリング１１２をさらに含む。この場合、第１サブセンシング回路１１０は、発光素子１１１とダイオードストリング１１２の直列回路であるといえる。ダイオードストリング１１２は、発光素子１１１に電気的に直列で接続される。ダイオードストリング１１２は、単一または相互に電気的に直列で接続される二つ以上のダイオードＤを含む。発光素子１１１と各ダイオードＤは、バッテリーＢの電圧が順方向に印加される方向へ相互に電気的に接続される。

Ｖ_ＢＡＴをバッテリーＢの電圧、Ｖ_１を発光素子１１１の電圧、Ｖ_２をダイオードストリング１１２の電圧とする。そうすると、Ｖ_ＢＡＴ＞Ｖ_１、Ｖ_ＢＡＴ＞Ｖ_２であり、Ｖ_ＢＡＴ＝Ｖ_１＋Ｖ_２として単純化できる。したがって、バッテリーＢの電圧がバッテリーＢの過電圧状態を示す第１基準電圧（例えば、４．２Ｖ）と同じ場合、第１基準電圧よりも低い第２基準電圧（例えば、１．６７４Ｖ）が発光素子１１１の両端に印加され、第１基準電圧よりも低い第３基準電圧がダイオードストリング１１２の両端に印加される。第２基準電圧（図３のＶ_Ｒ２参照）は、発光素子１１１の閾値電圧（図３のＶ_ＴＨ１参照）よりも小さい。発光素子１１１の閾値電圧は、発光素子１１１を介して所定レベルの順方向電流が流れるときの発光素子１１１の順方向の電圧降下を示す。発光素子１１１の閾値電圧以上の電圧範囲を「メイン閾値電圧範囲」に称し、発光素子１１１の閾値電圧未満の電圧範囲を「サブ閾値電圧範囲」に称し得る。サブ閾値電圧範囲は、微小電流（例えば、数μＡ水準）を用いる範囲であるため、低電力で具現可能である。

第２サブセンシング回路１２０は、第１サブセンシング回路１１０からの光信号に応じて、バッテリーＢの両端にかかった電圧のレベルを示す電圧センシング信号を出力するように構成される。

第２サブセンシング回路１２０は、受光素子１２１を含む。受光素子１２１は、発光素子１１１に光学的に結合する。受光素子１２１とは、それに伝達される光量によってその抵抗が変化する素子を指す。例えば、フォトレジスタ、フォトトランジスタなどが受光素子１２１として用いられ得る。

第２サブセンシング回路１２０は、抵抗器１２２及びアナログ－デジタルコンバータ１２３をさらに含み得る。抵抗器１２２は、電圧源Ｖ_ＣＣと接地との間で受光素子１２１に電気的に直列で接続される。抵抗器１２２は、固有抵抗を有する。受光素子１２１と抵抗器１２２との直列回路は、電圧源Ｖ_ＣＣからの定電圧を分配するための電圧デバイダーとして機能し得る。

アナログ－デジタルコンバータ１２３の信号入力ピンは、受光素子１２１と抵抗器１２２との接続ノードに電気的に接続される。アナログ－デジタルコンバータ１２３は、アナログ入力としての抵抗器１２２の両端にかかった電圧を電圧センシング信号としてのデジタル出力に変換する。前述したように、発光素子１１１の電圧に応じて発光素子１１１によって放出される光信号の光量が変化し、受光素子１２１は伝達される光量に応じて抵抗が変化する。受光素子１２１の抵抗によってアナログ入力が変化することから、デジタル出力はバッテリーＢの電圧レベルを示す。

図３は、図２の発光素子１１１の電圧－電流関係特性を例示したグラフであり、図４は、図２の発光素子１１１の電圧－抵抗関係特性を例示したグラフである。

図２～図４を参照すると、発光素子１１１の電圧Ｖ_１が閾値電圧Ｖ_ＴＨ１を超えると、発光素子１１１の電流が非常に急増する特性を有することを確認することができる。また、発光素子１１１の電圧Ｖ_１が閾値電圧Ｖ_ＴＨ１を超えると、発光素子１１１の抵抗は、非常に急減する特性を有する。

第２基準電圧Ｖ_Ｒ２が発光素子１１１の両端に印加される場合の発光素子１１１の抵抗は、閾値電圧Ｖ_ＴＨ１が発光素子１１１の両端に印加される場合の発光素子１１１の抵抗よりも大きくなり得る。

図５は、図２のダイオードストリング１１２の電圧－電流関係特性を例示したグラフであり、図６は、図２のダイオードストリング１１２の電圧－抵抗関係特性を例示したグラフである。

図２、図５及び図６を参照すると、ダイオードストリング１１２の電圧Ｖ_２が閾値電圧Ｖ_ＴＨ２を超えると、ダイオードストリング１１２の電流が非常に急増する特性を有することを確認することができる。また、ダイオードストリング１１２の電圧Ｖ_１が閾値電圧Ｖ_ＴＨ２を超えると、ダイオードストリング１１２の抵抗が非常に急減する特性を有する。ダイオードストリング１１２の閾値電圧Ｖ_ＴＨ２は、ダイオードストリング１１２を通して所定レベルの順方向電流が流れるときのダイオードストリング１１２の順方向の電圧降下を示す。

第３基準電圧Ｖ_Ｒ３がダイオードストリング１１２の両端に印加される場合のダイオードストリング１１２の抵抗は、ダイオードストリング１１２の閾値電圧Ｖ_ＴＨ２がダイオードストリング１１２の両端に印加される場合のダイオードストリング１１２の抵抗よりも大きくなり得る。

バッテリーＢの電圧が第１基準電圧以下である場合、発光素子１１１を通して流れる順方向電流とダイオードストリング１１２を通して流れる順方向電流とは、同一である。例えば、第１基準電圧が第１サブセンシング回路１１０の両端に印加される場合、第２基準電圧と発光素子１１１の抵抗との第１割合は、第３基準電圧とダイオードストリング１１２の抵抗との第２割合と同一である。

一方、周辺回路としての電圧センシング回路８０がバッテリーＢに電気的に並列で接続される場合、電圧センシング回路７０の電圧－電流－抵抗特性によって電圧センシング回路８０のエラーが惹起され得る。その理由は、電圧センシング回路８０が固有の等価抵抗を有することに対し、第１サブセンシング回路１１０の抵抗はバッテリーＢの電圧に依存して変化するためである。図４及び図６を参照すると、発光素子１１１の電圧が増加するほど、発光素子１１１の抵抗は減少し、ダイオードストリング１１２の電圧が増加するほど、ダイオードストリング１１２の抵抗は減少することを確認することができる。

バッテリーＢの電圧が第１基準電圧以下であると仮定する。そうすると、発光素子１１１の抵抗は、発光素子１１１の電圧が第２基準電圧であるときに最小になり、ダイオードストリング１１２の抵抗は、ダイオードストリング１１２の電圧が第３基準電圧であるときに最小になり得る。これによって、発光素子１１１の抵抗とダイオードストリング１１２の抵抗との和である第１サブセンシング回路１１０の抵抗は、バッテリーＢの電圧が第１基準電圧であるときに最小になり得る。

並列抵抗の合成原理によると、第１サブセンシング回路１１０の抵抗が小さいほど周辺回路の等価抵抗に及ぶ影響が増大する。したがって、第１サブセンシング回路１１０の抵抗が最小であるとき、周辺回路の等価抵抗と第１サブセンシング回路１１０の抵抗との並列合成抵抗が周辺回路の等価抵抗の所定の割合（例えば、９８％）以上になるように具現する必要がある。ここで、所定の割合は、電圧センシング回路８０による電圧センシング結果の正確度を保障するためのものであって、電圧センシング回路８０の電圧センシングオフセットなどに基づいて予め決定され得る。

以上で説明した本発明の実施例は、必ずしも装置及び方法を通じて具現されることではなく、本発明の実施例の構成に対応する機能を実現するプログラムまたはそのプログラムが記録された記録媒体を通じて具現され得、このような具現は、本発明が属する技術分野における専門家であれば、前述した実施例の記載から容易に具現できるはずである。

以上、本発明を限定された実施例と図面によって説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の属する技術分野で通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。

また、上述の本発明は、本発明が属する技術分野における通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想から脱しない範囲内で多様な置換、変形及び変更が可能であるため、上述の実施例及び添付された図面によって限定されず、多様な変形が行われるように各実施例の全部または一部を選択的に組み合わせて構成可能である。

１０ バッテリーシステム
２０ バッテリーパック
３０ 充放電制御装置
４０ センシング装置
５０ 電流センシング回路
６０ 温度センシング回路
７０ 電圧センシング回路
８０ 電圧センシング回路
１１０ 第１サブセンシング回路
１１１ 発光素子
１１２ ダイオードストリング
１２０ 第２サブセンシング回路
１２１ 受光素子
１２２ 抵抗器
１２３ アナログ－デジタルコンバータ

Claims (7)

1. バッテリーのための電圧センシング回路であって、
   発光素子を有し、前記バッテリーに電気的に並列で接続される第１サブセンシング回路と、
   前記発光素子に光学的に結合する受光素子を有し、前記第１サブセンシング回路から電気的に絶縁される第２サブセンシング回路と、
   を含み、
   前記発光素子は、前記発光素子の両端にかかった電圧に応じて、光信号を生成するように構成され、
   前記第２サブセンシング回路は、前記光信号に応じて、前記バッテリーの両端にかかった電圧のレベルを示す電圧センシング信号を出力するように構成され、
   前記バッテリーの両端にかかった電圧が前記バッテリーの過電圧状態を示す第１基準電圧と同じ場合、前記第１基準電圧よりも低い第２基準電圧が前記発光素子の両端に印加され、
   前記第２基準電圧が、前記発光素子の閾値電圧より小さく、
   前記第１サブセンシング回路は、
   前記発光素子に電気的に直列で接続されるダイオードストリングをさらに含み、
   前記ダイオードストリングは、少なくとも一つのダイオードを含み、
   前記第１基準電圧が前記第１サブセンシング回路の両端に印加される場合、前記第１基準電圧よりも低い第３基準電圧が前記ダイオードストリングの両端に印加され、
   前記第３基準電圧は、前記ダイオードストリングの閾値電圧よりも小さく、
   前記発光素子の両端に前記第２基準電圧が印加される場合の前記発光素子の抵抗は、前記発光素子の両端に前記発光素子の閾値電圧が印加される場合の前記発光素子の抵抗よりも大きく、
   前記ダイオードストリングの両端に前記第３基準電圧が印加される場合の前記ダイオードストリングの抵抗は、前記ダイオードストリングの両端に前記ダイオードストリングの閾値電圧が印加される場合の前記ダイオードストリングの抵抗よりも大きく、
   前記第１基準電圧が前記第１サブセンシング回路の両端に印加される場合、前記バッテリーに電気的に並列で接続された周辺回路の等価抵抗と前記第１サブセンシング回路の抵抗との並列合成抵抗は、前記等価抵抗の所定の割合以上である、電圧センシング回路。
2. 前記受光素子は、
   フォトレジスタ及びフォトトランジスタのうち少なくとも一つを含む、請求項１に記載の電圧センシング回路。
3. 前記第２基準電圧が、前記発光素子の両端に印加される場合の前記発光素子の抵抗は、前記閾値電圧が前記発光素子の両端に印加される場合の前記発光素子の抵抗よりも大きい、請求項１又は２に記載の電圧センシング回路。
4. 前記第１基準電圧が前記第１サブセンシング回路の両端に印加される場合、前記第２基準電圧と前記発光素子の抵抗との第１割合は、前記第３基準電圧と前記ダイオードストリングの抵抗との第２割合と同一である、請求項１に記載の電圧センシング回路。
5. 前記第２サブセンシング回路は、
   前記受光素子に電気的に直列で接続される抵抗器と、
   前記抵抗器の両端にかかった電圧から前記電圧センシング信号を生成するアナログ－デジタルコンバータと、
   をさらに含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の電圧センシング回路。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の前記電圧センシング回路を含む、バッテリーパック。
7. 請求項６に記載の前記バッテリーパックを含む、バッテリーシステム。

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